摘要：本文介紹了Dallas Semiconductor對傳統(tǒng)8051微控制器的改進技術(shù)，創(chuàng)造了引腳兼容的高性能替代產(chǎn)品，能夠達(dá)到33 MIP的速度。除此之外，還包括多數(shù)據(jù)指針、擴展存儲器尋址(達(dá)16MB)和閃存，大大提高的器件的速度和有效性。

系統(tǒng)設(shè)計者都知道，微控制器是所有嵌入式系統(tǒng)的心臟—各種系統(tǒng)活動的策源地。過去18年來，Dallas Semiconductor (Maxim Integrated Products的全資子公司)對無處不在的8051微控制器進行了重新定義。也許，過去十年來對于微控制器的最大改進，表現(xiàn)在其執(zhí)行指令的速度方面。我們的單周期處理器達(dá)到了振奮人心的性能目標(biāo)—每機器周期一個時鐘，目前為33百萬指令每秒(MIPS)?；谶@個內(nèi)核，我們的安全型、網(wǎng)絡(luò)型、和混合信號8051微控制器家族在功能集成和創(chuàng)新性方面始終為業(yè)界典范。

為什么將創(chuàng)新的微控制器家族建立在古老的8051指令集之上？道理很簡單，因為它是世界范圍內(nèi)最為流行的8位微控制器架構(gòu)之一。這種指令集簡單易懂，深受嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者的喜愛。許多指令可直接訪問I/O引腳，便于迅速操作(位操作)外圍設(shè)備。種類繁多的片內(nèi)外設(shè)具有幾乎無限種組合方式。此外，用于8051微控制器家族的開發(fā)工具隨處可見，這樣，你可以非常容易地，而且不需要花費很高成本，就可以著手一個應(yīng)用的開發(fā)。

安全及保密

1987年，Dallas Semiconductor/Maxim推出了DS5000T，一款獨立開發(fā)的，基于8051指令集和功能集的新型微控制器。為了提供新的性能和優(yōu)勢，工程師們將設(shè)計建立在非易失SRAM技術(shù)之上，而非傳統(tǒng)的EPROM。仰賴其居于領(lǐng)導(dǎo)地位的低功耗技術(shù)，存儲器分區(qū)和電池備份電路被直接集成到微控制器晶片上。這種系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于其速度。其他類型的非易失存儲器的寫操作通常很慢，但是非易失SRAM能夠在很高的速度下，在單個周期內(nèi)讀出和寫入。這對于高速、非易失數(shù)據(jù)采集應(yīng)用來講非常理想，這些應(yīng)用常常要求捕捉實時數(shù)據(jù)。配合一個外部SRAM和電池，就構(gòu)成完整的微控制器系統(tǒng)，具有多達(dá)64kB的非易失程序和數(shù)據(jù)存儲空間。

由于采用非易失SRAM技術(shù)，數(shù)據(jù)和程序存儲器都可重新在系統(tǒng)編程，允許逐字節(jié)、運行中編程。而在一個標(biāo)準(zhǔn)的微控制器系統(tǒng)中，要重新編程就必須將程序存儲器從系統(tǒng)中拿下來(EPROM)，或者進行塊擦除，擦除過程中要禁止存儲器訪問(flash)?；诜且资RAM的微控制器的編程非常容易并且迅速，可利用PC或一個專用編程器通過串口對其進行編程。駐留于ROM的自舉裝載器直接將程序或數(shù)據(jù)下載到微控制器，實現(xiàn)快速調(diào)試或現(xiàn)場升級。

非易失SRAM獨具特色的優(yōu)點為系統(tǒng)固件的安全性提供了新的手段。由于自舉裝載器完全控制著向非易失SRAM的程序裝載，我們采用一個40位或80位的加密密鑰對地址和數(shù)據(jù)總線進行加密。任何裝載到微控制器內(nèi)的程序或數(shù)據(jù)在存入SRAM之前都自動進行了加密。這種加密手段可以防止黑客竊取微控制器中的程序或數(shù)據(jù)。指令運行期間，微控制器取出經(jīng)過加密的操作碼，在一個機器周期內(nèi)完成解密并執(zhí)行。由于采用了非易失SRAM，允許全速進行讀/寫訪問，指令解密不會引起任何延遲。

這些安全特性在DS5250中達(dá)到了極致，這是一種安全型8051微控制器，廣泛用于世界各地的金融終端和支付系統(tǒng)。這種抗攻擊微控制器整合了一個4時鐘機器周期內(nèi)核，以及用于程序存儲器加密的增強型三DES加密邏輯。另外，還增加了侵入探測和片內(nèi)篡改檢測器，一旦檢測到有篡改發(fā)生便自動擦除存儲器。一個內(nèi)部的微探針屏蔽層可防止對晶片進行篡改。還有，非易失SRAM對于要求高度安全的應(yīng)用來講可謂是最佳選擇。由于可以高速寫入，微控制器能夠迅速擦除機密信息和敏感數(shù)據(jù)，這一點勝出了任何其他類型的存儲器。

DS5250是唯一一款既提供最高水準(zhǔn)的安全性，又能全速運行每條指令的微控制器。

高速度，低功耗

8051處理器核自從誕生之日起(二十世紀(jì)七十年代末到八十年代)就基本停滯不前，而嵌入式系統(tǒng)卻并非如此。通過增加新的軟件特性和外圍設(shè)備，系統(tǒng)設(shè)計者不斷地對其基于8051的應(yīng)用進行了改進和升級。這種“功能蔓延”將現(xiàn)有的8051性能推向了極限。不幸的是，對于8051內(nèi)核的改進卻沒有跟得上，看起來，系統(tǒng)設(shè)計者似乎不得不轉(zhuǎn)向其他的處理器，并花費昂貴的代價去重新設(shè)計和更新他們的系統(tǒng)。

性能的瓶頸在于過時的、誕生于上個世紀(jì)七十年代的8051微控制器處理內(nèi)核。盡管外部晶振的速度已接近40MHz，傳統(tǒng)的8051仍然要求12個時鐘才能運行一個機器周期。每條指令需要1到4個機器周期，這意味著執(zhí)行一條指令就需要少則12多則48個時鐘周期。這樣，吞吐率被限制于僅3MIPS，即便是運行一串象NOP這樣的單周期指令(圖1)。


圖1. 由于每機器周期所需時鐘數(shù)的降低，相同指令集的性能提高了3倍以上(對比12時鐘、4時鐘和1時鐘每機器周期)。

1991年，我們開始著手重新設(shè)計8051微控制器，以期獲得性能上的突破。設(shè)計小組首先對傳統(tǒng)8051的設(shè)計進行了分析。我們發(fā)現(xiàn)，原先的12時鐘每機器周期架構(gòu)中存在著巨大的浪費：多數(shù)指令被強制去執(zhí)行啞周期。工程師們徹底重構(gòu)了CPU，每個機器周期只需4個時鐘而非12個。第二條內(nèi)部數(shù)據(jù)總線消除了阻礙性能發(fā)揮的結(jié)構(gòu)性瓶頸。高功率I/O驅(qū)動器提升了訪問外部存儲器時口線的轉(zhuǎn)換速度。所有內(nèi)置的外圍設(shè)備，例如定時器和串行口，都運行于更高的時鐘頻率。不過，在此變革之路上的每一步，都有一條絕對不變的準(zhǔn)則―指令集必須保持和8051指令集操作碼的兼容性。

最終，一種全新的基于8051的微控制器誕生了，相比原來的8051核效率提升了三倍，相同的頻率下，大多數(shù)指令的運行速度提高了三倍。除了內(nèi)核效率提升以外，大多數(shù)器件的最高外部振蕩頻率也提高到了33MHz或40MHz。飽受古老、低速的8051困擾的系統(tǒng)設(shè)計者現(xiàn)在無需修改軟件，就可輕易地將他們的系統(tǒng)升級到最高10MIPS的速度。

除了速度方面的改進以外，重新設(shè)計的內(nèi)核也帶來了另外一個好處：更低的功率消耗?；疚锢矸▌t告訴我們，數(shù)字電路的功率消耗正比于有開關(guān)動作的晶體管數(shù)量以及開關(guān)的速率(頻率)。由于新的內(nèi)核每機器周期使用更少的振蕩周期，執(zhí)行每條指令所需的能量比傳統(tǒng)8051顯著降低了。

另外，特殊的功率管理模式通過軟件可配置的內(nèi)部時鐘分頻器，可以臨時性地降低微控制器的功耗。通過將機器周期速率由4時鐘每機器周期降低到64或256時鐘每機器周期，可進一步降低功耗。回切功能使器件在接收到一個外部中斷或檢測到一個串行口起始位后立即返回到除4模式。這個特性允許器件在工作較少時保持低功耗守候狀態(tài)，必要時又可迅速恢復(fù)全速工作狀態(tài)。圖2顯示了不同模式中的相對功率消耗。


圖2. 在工作量降低期間，我們的功率管理模式消耗的電流比閑置模式還低，而且CPU仍處于活動狀態(tài)。

超越33MIPS

Dallas Semiconductor/Maxim于1997年開始設(shè)計一個新的內(nèi)核，以獲得更高的性能。基于8051的應(yīng)用在不斷發(fā)展，用戶在呼喚更高的性能。設(shè)計團隊將他們的目標(biāo)鎖定在性能的頂峰：運行8051指令集，但是每機器周期僅一個時鐘的全新微控制器。采用高度并行架構(gòu)和新的制造工藝，一種引腳對引腳兼容，直接替換原有8051的設(shè)計問世了。

最終，我們推出了全新的DS89C430/DS89C450—―超高性能、每機器周期一個時鐘的微控制器，運行速率高達(dá)33MIPS (圖3)。這些器件突破了原有的性能障礙，以8位微控制器的價格，提供16位的性能。這些微控制器提供多種不同的總線尋址模式，允許用戶按照特定應(yīng)用要求，對處理器的工作進行優(yōu)化。最為重要的是，它們保持了與8051指令集100%的兼容性，同時，又能夠以更高的速度運行現(xiàn)有的8051應(yīng)用，速度高出任何一種其它基于8051的微控制器。


圖3. DS89C430 33MIPS的性能遠(yuǎn)超競爭對手。

除了閃電般快速的內(nèi)核，DS89C430/DS89C450還整合了多達(dá)64kB可在系統(tǒng)編程的閃速存儲器。駐留于ROM的自舉裝載器允許用戶在任意時間對微控制器代碼進行調(diào)整，使設(shè)計非常靈活。不同于其它使用專有或非標(biāo)接口的微控制器，DS89C430的自舉裝載器可由標(biāo)準(zhǔn)PC，使用任何終端仿真軟件，通過串行口進行操作。

韓信用兵，多多益善

如果程序員沒有足夠的存儲器地址空間可以支配的話，速度方面的優(yōu)勢將無從施展。傳統(tǒng)8051采用16位存儲器總線，使存儲器空間限制在64kB以內(nèi)。對于有些應(yīng)用，這樣有限的存儲空間已經(jīng)足夠了。但是隨著應(yīng)用的升級，代碼的復(fù)雜性和規(guī)模迅速膨脹，我們意識到，這類應(yīng)用需要一個解決方案，同時還要盡可能保持與8051的兼容性。

有些設(shè)計者采用分區(qū)切換的辦法來擴展尋址空間。I/O線被充作地址線使用，以犧牲部分I/O資源為代價換取更多存儲空間。但這種做法有兩個重要缺陷。首先，代碼必須以64kB或更小的單位分段，這是一件很費時的工作，因為每次調(diào)整代碼后都必須重新進行分段。第二，每一次代碼跨段時都必須通過專門的軟件流程去切換I/O線。由于這方面的軟件開銷，會使系統(tǒng)的總體性能有所下降。

更好的解決方案應(yīng)該是給器件配備更寬的地址總線。DS80C400便是如此，它具有24位地址總線，可直接尋址16MB的程序存儲器和16MB的數(shù)據(jù)存儲器。而新功能的實現(xiàn)，并沒有依靠8051指令集之外的新增操作碼。提供兩種總線模式，第一種頁尋址模式采用了先進的自動分區(qū)切換技術(shù)，極大地加速了擴展存儲器的訪問，同時又保持了與傳統(tǒng)8051編譯器二進制碼的兼容性。第二種連續(xù)模式可透明尋址整個16MB存儲空間，但要求編譯器能夠產(chǎn)生24位地址所需的額外的操作數(shù)。更大的地址空間允許更大的程序以更高的速度運作，為微控制器開拓了更廣的應(yīng)用空間，例如大型的數(shù)學(xué)函數(shù)庫、檢索表、甚至是Java?虛擬機，后者已得到網(wǎng)絡(luò)型微控制器DS80C390和DS80C400的支持，并成為微型因特網(wǎng)接口(TINI?)運行環(huán)境的一部分。

前進道路上的每一步都有一個必須遵循的條件―指令集必須保持與8051指令集操作碼的兼容性。

成倍提升性能的數(shù)據(jù)指針設(shè)計

為了避免產(chǎn)生新的性能瓶頸，有必要對芯片的各個方面都進行長遠(yuǎn)的改進。其中最為重要的改進之一是針對MOVX數(shù)據(jù)存儲器訪問的改進。數(shù)據(jù)存儲器的操作對于原8051來講是一件很麻煩的事情。要訪問MOVX存儲器中的單個字節(jié)，首先需要花費數(shù)個周期裝載一個16位數(shù)據(jù)指針，然后才能對目標(biāo)地址進行讀寫操作。

DS89C430保持了與8051指令集100%的兼容性，因此它可直接運行原來的8051應(yīng)用，而速度仍快于任何其他基于8051的微控制器。

這種操作的低效率在執(zhí)行塊拷貝操作時尤為突出，這種操作需要將數(shù)據(jù)從MOVX存儲器中的某個位置轉(zhuǎn)移到另一位置。在塊拷貝操作中，單一數(shù)據(jù)指針必須兼作源地址和目的地址指針。在傳統(tǒng)8051微控制器中，這種操作是一個復(fù)雜、多步驟的過程：

1. 裝載源地址到數(shù)據(jù)指針。
2. 遞增或調(diào)整數(shù)據(jù)指針指向下一單元。
3. 從MOVX存儲器取數(shù)據(jù)到累加器。
4. 保存源地址到寄存器。
5. 裝載目標(biāo)地址到數(shù)據(jù)指針。
6. 遞增或調(diào)整數(shù)據(jù)指針指向下一單元。
7. 數(shù)據(jù)由累加器寫入MOVX存儲器。
8. 保存目標(biāo)地址到寄存器。

更大的地址空間允許更快地存取更大的程序，例如網(wǎng)絡(luò)微控制器所支持的Java虛擬機。

也許你已經(jīng)注意到了，上述過程中幾乎有一半的步驟，用來將單個數(shù)據(jù)指針在目標(biāo)和源地址之間換來換去，這會妨礙整體性能的發(fā)揮。解決方案是增加第二個數(shù)據(jù)指針，為源和目標(biāo)指針分配專門的寄存器。有了第二個數(shù)據(jù)指針，很多數(shù)據(jù)操作可由硬件完成，降低了軟件開銷。雙數(shù)據(jù)指針可獨立訪問，通過專門的數(shù)據(jù)指針選擇位可以選擇執(zhí)行MOVX指令時，當(dāng)前活動的數(shù)據(jù)指針。采用雙數(shù)據(jù)指針，同樣的塊拷貝操作所需的步驟要少很多：

只需一次初始化：

1. 第一數(shù)據(jù)指針初始化為源地址。
2. 第二數(shù)據(jù)指針初始化為目標(biāo)地址。

主循環(huán)：

1. 取數(shù)據(jù)到累加器。
2. 遞增或調(diào)整第一數(shù)據(jù)指針指向下一單元。
3. 選擇第二數(shù)據(jù)指針。
4. 數(shù)據(jù)由累加器寫入MOVX存儲器。
5. 遞增或調(diào)整數(shù)據(jù)指針指向下一單元。

從圖4可以看出，在用33MHz DS89C430執(zhí)行1000字節(jié)塊拷貝例程時，由于雙數(shù)據(jù)指針的采用消除了切換單數(shù)據(jù)指針的開銷，節(jié)省了33%的運行時間。高速及超高速微控制器家族中，有些成員還增加了另外一些可選用的數(shù)據(jù)指針增強功能。自動遞增/遞減功能(圖4中表示為AID)在執(zhí)行完一條MOVX相關(guān)指令后，自動使數(shù)據(jù)指針遞增或遞減，省去了INC DPTR指令。自動切換功能(圖4中表示為TSL)緊隨MOVX相關(guān)指令自動切換活動的數(shù)據(jù)指針，省去了切換數(shù)據(jù)指針的指令。圖4同時顯示了當(dāng)所有這些功能被采用時，執(zhí)行同樣任務(wù)所需的相對時間。注意到當(dāng)所有功能啟用時，DS89C430執(zhí)行一次1000字節(jié)的塊拷貝例程要比原8051微控制器快103%。


圖4. 雙數(shù)據(jù)指針提高了塊拷貝操作的速度。

前景展望

隨著應(yīng)用越來越高的速度要求，Maxim正在努力工作以超越一個又一個性能極限。無論是其更快的堆棧訪問速度、擴展的尋址空間，抑或是基本處理速度，我們的微控制器設(shè)計終能滿足嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者的各種要求。

但是，有競真力的設(shè)計不僅僅要求速度。更復(fù)雜的應(yīng)用需要更大的程序空間，因此，我們正在將直接替換原8051的微控制器系列擴充為64kB閃存。我們的新產(chǎn)品流水線正在將更多的外設(shè)設(shè)計進來，以便提升嵌入式系統(tǒng)的能力，同時降低板上空間需求。網(wǎng)絡(luò)型微控制器具有一些更先進的功能，包括CAN，以太網(wǎng)，及1-Wire?等多層次組網(wǎng)能力。安全微控制器具有硬件實現(xiàn)的數(shù)學(xué)加速器，用于公鑰加密系統(tǒng)，并在檢測到有篡改發(fā)生時，迅速刪除密鑰?；旌闲盘栁⒖刂破髂軌蛱幚韥碜哉鎸嵤澜绲男盘?，用來實現(xiàn)更好的終端設(shè)備。

我們對于微控制器性能的追求超越了8051內(nèi)核。我們的一個新的系列，MAXQ? 16位RISC微控制器達(dá)到了更高的性能-功耗比。引領(lǐng)我們到達(dá)此目標(biāo)的途徑是單周期指令。單周期指令增加了指令帶寬，從而可提供更高的性能，而且，有可能通過降低時鐘頻率來降低功耗。除了長跳轉(zhuǎn)/長調(diào)用和某些擴展寄存器的訪問外，所有MAXQ指令都在單個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行。雖然許多RISC微控制器聲稱支持單周期指令，但事實通常是只有一部分指令或?qū)ぶ纺Ｊ绞菃沃芷诘摹Ｔ贛AXQ中，絕大部分是單周期指令。

另外，MAXQ架構(gòu)提高了時鐘周期的利用率，因為其單周期操作并未依賴指令流水線(常見于許多RISC微控制器)。MAXQ指令的譯碼和執(zhí)行硬件是如此之簡單(且快速)，以致它們可以和取指在同一個時鐘周期內(nèi)完成，且對最高工作頻率的影響很小。為了說明取消指令流水線的優(yōu)點，我們來考察一個流水線結(jié)構(gòu)的普通RISC CPU。當(dāng)遇到程序分支時，CPU需要一個或更多時鐘周期(因流水線深度而異)來將程序轉(zhuǎn)向目標(biāo)分支地址，拋棄已取得的指令。顯然，將時鐘周期用在拋棄指令(而非執(zhí)行指令)上面是一種浪費且令人不快的做法，因為它降低了性能且增加了功耗。盡管這種操作令人不快，CPU竊取時鐘來重裝流水線仍然是這種架構(gòu)不可避免的一個瑕疵。MAXQ架構(gòu)區(qū)別于其他8位和16位RISC微控制器的一個顯著特點就是，單周期指令的執(zhí)行不依賴于指令流水線(也就避免了它所帶來的時鐘周期浪費問題)。

有關(guān)如何以最低的功耗獲取最高的性能方面的更多信息，參見白皮書“Teaching Old Dogs New Tricks: Improving the Power Efficiency of 8051-Based Designs” (English only)。